FRP管材混凝土短柱軸向承載力性能試驗(yàn)研究

摘? 要：為研究FRP管材混凝土短柱軸向承載力性能，簡化了FRP管材混凝土短柱軸向受力模型，通過制備2種配合比的管材混凝土短柱試樣，分別開展了FRP管、鋼管和塑料管的混凝土短柱軸向承載力模型試驗(yàn)。研究表明相同條件下，玻璃鋼材質(zhì)的C30普通混凝短柱軸向承載力比鋼管混凝土短柱承載力大致小17.56%～28.84%；對(duì)鋼管混凝土和FRP管材混凝土短柱，長細(xì)比的增大會(huì)降低短柱的軸心抗壓承載力，而塑料管混凝土短柱，存在特定的長細(xì)比值使短柱軸心抗壓承載力最大；添加膨脹劑與否對(duì)核心混凝土承載力的影響效果受長細(xì)比約束。試驗(yàn)結(jié)果可為非金屬棚架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與施工提供試驗(yàn)基礎(chǔ)及數(shù)據(jù)支撐，為研究FRP管材結(jié)構(gòu)提供參考。

關(guān)鍵詞：FRP 短柱 模型試驗(yàn) 軸向承載力

中圖分類號(hào)：U45? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：

Experimental Research on the Performance of the Axial Bearing Capacity of Concrete Short Columns of FRP Tubulars

ZHANG Zhicheng

（Jiaxing Vocational and technical college， Jiaxing， Zhejiang Province， 314036 China）

Abstract： In order to study the performance of the axial bearing capacity of concrete short columns of FRP tubulars， the axial mechanical model of concrete short columns of FRP tubulars is simplified， and the model tests of the axial bearing capacity of FRP pipes， steel pipes and plastic pipes are carried out respectively by preparing concrete short column samples of tubulars with two kinds of ratios. Results show that under the same conditions， the axial bearing capacity of C30 ordinary concrete short columns made of FRP is about 17.56% ～ 28.84% smaller than the bearing capacity of concrete short columns of steel tubulars， that for concrete short columns of steel tubulars and FRP tubulars， the increase of the slenderness ratio will reduce the axial compressive bearing capacity of short columns， while for concrete short columns of plastic tubulars， a specific slenderness ratio will maximize the axial compressive bearing capacity of short columns， and that the effect of whether adding expansion agent or not on the bearing capacity of core concrete is constrained by the slenderness ratio. Test results can provide test basis and data support for the design and construction of non-metallic scaffold structure， and provide reference for the study of the structure of FRP pipes.

Key Words： FRP; Short column; Model test; Axial bearing capacity

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（FRP），由于其輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐的特性，在建筑、交通運(yùn)輸及航空等多個(gè)領(lǐng)域均具有較為廣泛的應(yīng)用，同時(shí)玻璃鋼作為非金屬材料具有隱真示假，在國防軍事工程中有很大應(yīng)用前景，而相比金屬材料，又有價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)。近年來，特別是在建筑工程結(jié)構(gòu)的研究中，F(xiàn)RP管材混凝土組合結(jié)構(gòu)引起學(xué)者們的關(guān)注，開展相關(guān)的研究，取得不錯(cuò)的成果，如楊俊龍[1]對(duì)碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料（CFRP）非均勻約束海水海砂混凝土方柱的軸壓性能進(jìn)行了研究；石少卿[2]研究了FRP管材混凝土所制得的構(gòu)件的力學(xué)性質(zhì)，分析在軍事防護(hù)工程中其在抗侵徹方面的作用；錢稼茹[3]和余濤[4]對(duì)DSTC進(jìn)行了軸壓力學(xué)性能開展相關(guān)試驗(yàn)研究;陳文永[5]將玻璃鋼混凝土組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用在酒店工程的穹頂部分；郭東[6]將光纖與FRP材料進(jìn)行一體化制作，形成內(nèi)嵌光纖自感知FRP筋用于隧道施工全過程監(jiān)測(cè)；金瀏[7]等對(duì)FRP筋混凝土梁受剪承載力計(jì)算方法展開研究；關(guān)于玻璃鋼混凝土短柱的力學(xué)性能還需進(jìn)一步研究，該文基于三種管材混凝土短柱的軸向承載力試驗(yàn)對(duì)比，分析FRP管材混凝土的軸向承載力性能及其影響因素。

1 力學(xué)模型

為了簡化計(jì)算，視玻璃鋼為線彈性材料，且不記FRP管材的豎向承載力，在FRP管材環(huán)向拉應(yīng)力達(dá)到抗拉極限拉應(yīng)力強(qiáng)度時(shí)，F(xiàn)RP管材混凝土短柱破壞，則管材短柱的受力情況簡化如圖1所示。

?

其中為FRP管材的內(nèi)徑為，為壁厚，為FRP管材的環(huán)向拉應(yīng)力，為混凝土對(duì)FRP管材的擴(kuò)張應(yīng)力，為FRP管材的極限拉應(yīng)力強(qiáng)度。

當(dāng)，

由王朋[8]根據(jù)雙剪統(tǒng)一理論確定的FRP管材約束混凝土軸向壓力與約束混凝土側(cè)向壓力的關(guān)系式為，其中為混凝土的單軸抗壓強(qiáng)度，由于，代入上式得。

FRP管材核心混凝土的軸向承載力。

由于峰[9]文獻(xiàn)中，計(jì)算FRP管材混凝土核心混凝土的軸向承載力時(shí)，取k=2.26，上式為。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

管材混凝土短柱試樣由不同管材分別填充不同配比混凝土成型，管材類型分為FRP管、塑料管和鋼管，管材內(nèi)徑為100mm、外徑為108mm；混凝土配合比分A和B兩種，配合比A為C30普通混凝土，配合比B為摻8%膨脹劑C30混凝土。在三種管材內(nèi)灌入不同配比的混凝土，養(yǎng)護(hù)后，制作以配合比A和配合比B的三種管材混凝土短柱試樣，每種配比下短柱的高度分別為250mm、500mm和750mm，經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定兩種配比混凝土的抗壓強(qiáng)度、混凝土限制膨脹率和彈性模量等試樣力學(xué)參數(shù)[10]。

管材混凝土短柱的加載在大行程萬能試驗(yàn)機(jī)（型號(hào)：SHT4106-G）上完成，大行程萬能試驗(yàn)機(jī)是由測(cè)量系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，能對(duì)各種材料進(jìn)行多項(xiàng)力學(xué)性能試驗(yàn)。通過加載試驗(yàn)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)管材混凝土短柱的分級(jí)軸向加載。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析討論

為了研究FRP管材混凝土短柱軸向承載力性能，對(duì)三種管材混凝土短柱進(jìn)行分級(jí)軸向加載。通過萬能試驗(yàn)機(jī)的軸向分組分級(jí)加載直至管材混凝土短柱軸向受壓破壞，破壞后實(shí)物圖如圖2所示，圖2（a）中FRP管材混凝土破壞時(shí)，F(xiàn)RP纖維在薄弱處拉斷后迅速向兩端擴(kuò)展，核心混凝土失去約束后受壓破壞；圖2（b）中塑料管混凝短柱在荷載作用下，由于塑料管發(fā)生明顯的脆性拉裂破壞，核心混凝土隨即迅速壓壞，裂縫向兩邊貫通；在圖2（c）中，由于鋼管的環(huán)向約束應(yīng)力作用，并且鋼管在荷載作用下表現(xiàn)出明顯的塑性，鋼管混凝土短柱中核心混凝土在三軸受壓下呈現(xiàn)出軸向承載力性能。

3.1 管材混凝土短柱軸心抗壓承載力的影響因素

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，管材混凝土短柱軸心抗壓承載力主要受管材類型、核心混凝土抗壓承載力、管材混凝土短柱長細(xì)比等因素的影響。本試驗(yàn)還通過添加膨脹劑與否研究其對(duì)核心混凝土承載能力的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別繪制圖3和圖4，分析各個(gè)影響因素對(duì)管材混凝土軸心抗壓承載力的影響。

3.1.1 管材類型

圖3（a）為長細(xì)比對(duì)C30普通混凝土三種管材混凝土短柱軸心抗壓承載力的影響曲線，圖3（b）為長細(xì)比對(duì)C30膨脹混凝土三種管材混凝土短柱軸心抗壓承載力的影響曲線。由圖3（a）和圖3（b）可知，相同條件下，對(duì)比三種管材混凝土短柱，鋼管的承載力最大，玻璃鋼的次之，塑料的最小，符合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。從圖3（a）可知，對(duì)比鋼管混凝土短柱，玻璃鋼材質(zhì)的C30普通混凝短柱軸向承載力大致小17.56%～28.84%（三種長細(xì)比下承載力分別小17.56%、28.84%和24.08%），F(xiàn)RP管材混凝土短柱具有較強(qiáng)的軸心抗壓承載力，如當(dāng)長細(xì)比L/D為2.315時(shí)，鋼管混凝土短柱的軸心抗壓承載力為1016.4kN，而FRP管材混凝土短柱的為837.9kN。

3.1.2 長細(xì)比的影響

針對(duì)鋼管混凝土和FRP管材混凝土短柱，長細(xì)比的增大會(huì)降低短柱的軸心抗壓承載力，而塑料管混凝土短柱，存在特定的長細(xì)比值使短柱軸心抗壓承載力最大，長細(xì)比太大或者太小均會(huì)降低軸心抗壓承載力。

3.1.3 膨脹劑的影響

由圖4可以看出，長細(xì)比較小的情況下，添加膨脹劑對(duì)核心混凝土的承載力影響明顯，該試驗(yàn)添加8%的膨脹劑，顯然在低長細(xì)比情況下，玻璃鋼短柱的承載力反而比FRP管材普通混凝土短柱的要低；但長細(xì)比較大的情況下，添加膨脹劑對(duì)玻璃鋼混凝土短柱的承載力的影響甚微。

4 結(jié)語

該文通過簡化FRP管材混凝土短柱軸向受力模型，確立了FRP管材核心混凝土的軸向承載力計(jì)算公式。通過制備2種配合比的管材混凝土短柱試樣，開展了FRP管、鋼管和塑料管的混凝土短柱軸向承載力模型試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同條件下，玻璃鋼材質(zhì)的C30普通混凝短柱軸向承載力比鋼管混凝土短柱承載力大致小17.56%～28.84%；對(duì)鋼管混凝土和FRP管材混凝土短柱，增大的長細(xì)比會(huì)降低短柱的軸心抗壓承載力；長細(xì)比較小的情況下，添加膨脹劑對(duì)核心混凝土的承載力影響明顯，較大長細(xì)比下，添加膨脹劑對(duì)玻璃鋼混凝土短柱的承載力的影響甚微。另外，關(guān)于長細(xì)比對(duì)FRP管材混凝土的軸向承載力的影響效應(yīng)還需要進(jìn)一步深入地研究。

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